Glæðing, slökkvun og öldrun eru helstu hitameðferðartegundir áls. Glæðing er mýkingarmeðferð sem hefur það að markmiði að gera málmblönduna einsleita og stöðuga í samsetningu og uppbyggingu, útrýma vinnsluherðingu og endurheimta sveigjanleika málmblöndunnar. Slökkvun og öldrun er styrkjandi hitameðferð sem hefur það að markmiði að bæta styrk málmblöndunnar og er aðallega notuð fyrir álblöndur sem hægt er að styrkja með hitameðferð.
1 Glæðing
Samkvæmt mismunandi framleiðslukröfum er álblöndunarglæðing skipt í nokkrar gerðir: glæðing með einsleitni í steypu, glæðing með billet, milliglæðing og glæðing með fullunninni vöru.
1.1 Glæðing á einsleitni í ingotum
Við aðstæður hraðrar þéttingar og ójafnvægiskristöllunar verður stöngin að hafa ójafna samsetningu og uppbyggingu og einnig mikla innri spennu. Til að breyta þessari stöðu og bæta heitvinnsluhæfni stöngarinnar er almennt krafist einsleitrar glæðingar.
Til að stuðla að dreifingu frumeinda ætti að velja hærra hitastig fyrir einsleitni glæðingu, en það má ekki fara yfir lágt bræðslumark eutektísks bræðslumarks málmblöndunnar. Almennt er einsleitni glæðingarhitastigið 5 ~ 40 ℃ lægra en bræðslumarkið og glæðingartíminn er að mestu leyti á bilinu 12 ~ 24 klst.
1.2 Glæðing á billet
Með glæðingu á álplötum er átt við glæðingu fyrir fyrstu kalda aflögunina við þrýstingsvinnslu. Tilgangurinn er að gera álplötuna jafnvæga og hafa hámarks plastaflögunargetu. Til dæmis er valslokahiti heitvalsaðrar álplötu 280~330°C. Eftir hraðkælingu við stofuhita er ekki hægt að útrýma vinnuherðingarfyrirbærinu alveg. Sérstaklega fyrir hitameðhöndlaða styrkta álblöndu, eftir hraðkælingu, er endurkristöllunarferlið ekki lokið og ofmettað fast efni hefur ekki brotnað alveg niður og hluti af vinnuherðingar- og slökkviáhrifunum helst enn til staðar. Það er erfitt að kaldvalsa beint án glæðingar, þannig að glæðing á álplötum er nauðsynleg. Fyrir óhitameðhöndlaða styrkta álblöndu, eins og LF3, er glæðingarhitastigið 370~470°C og loftkæling fer fram eftir 1,5~2,5 klst. eftir að hita hefur verið haldið. Við kaltdregnar rörvinnslu ætti að nota hærra hitastig fyrir álplötur og glæðingu og hægt er að velja efri mörk hitastigs. Fyrir álblöndur sem hægt er að styrkja með hitameðferð, eins og LY11 og LY12, er glæðingarhitastig billetsins 390~450℃, haldið við þetta hitastig í 1~3 klst., síðan kælt í ofni niður fyrir 270℃ á hraða sem er ekki meira en 30℃/klst. og síðan loftkælt út úr ofninum.
1.3 Millihitun
Millihitun vísar til hitunar á milli kalda aflögunarferla, sem hefur það hlutverk að koma í veg fyrir vinnuherðingu til að auðvelda áframhaldandi kalda aflögun. Almennt séð, eftir að efnið hefur verið glóðað, verður erfitt að halda áfram með kalda vinnslu án millihitunar eftir að það hefur gengist undir 45~85% kalda aflögun.
Ferli milliglæðingar er í grundvallaratriðum það sama og glæðing á billet-efni. Samkvæmt kröfum um kuldaaflögunargráðu má skipta milliglæðingu í þrjár gerðir: algera glæðingu (heildaraflögun ε≈60~70%), einföld glæðing (ε≤50%) og væga glæðingu (ε≈30~40%). Fyrstu tvö glæðingarkerfin eru þau sömu og billet-glæðing, og hið síðarnefnda er hitað við 320~350°C í 1,5~2 klst. og síðan loftkælt.
1.4. Glæðing fullunninnar vöru
Glæðing fullunninnar vöru er lokahitameðferð sem gefur efninu ákveðna skipulags- og vélræna eiginleika í samræmi við kröfur tæknilegra skilyrða vörunnar.
Glæðing fullunninna vara má skipta í háhitaglæðing (framleiðsla á mjúkum afurðum) og lághitaglæðing (framleiðsla á hálfhörðum afurðum í mismunandi ástandi). Háhitaglæðing ætti að tryggja að hægt sé að fá fullkomna endurkristöllunarbyggingu og góða mýkt. Með það í huga að tryggja að efnið fái góða uppbyggingu og eiginleika ætti geymslutíminn ekki að vera of langur. Fyrir álfelgur sem hægt er að styrkja með hitameðferð ætti að stjórna kælihraðanum strangt til að koma í veg fyrir loftkælingaráhrif.
Lághitastigsglóðun felur í sér spennulosunarglæðingu og hlutamýkingarglæðingu, sem er aðallega notað fyrir hreint ál og styrktar álblöndur sem ekki eru hitameðhöndlaðar. Að móta lághitastigsglóðunarkerfi er mjög flókið verkefni, sem þarf ekki aðeins að taka tillit til glæðingarhita og geymslutíma, heldur einnig áhrifa óhreininda, málmblöndunarstigs, kuldaaflögunar, millistigsglæðingarhita og hitaaflögunarhita. Til að móta lághitastigsglóðunarkerfi er nauðsynlegt að mæla breytingarferilinn milli glæðingarhita og vélrænna eiginleika og síðan ákvarða glæðingarhitabilið í samræmi við afköst sem tilgreind eru í tæknilegum skilyrðum.
2 Slökkvun
Slökkvun á álblöndu er einnig kölluð lausnarmeðferð, sem felst í því að leysa upp eins mikið af málmblönduþáttum í málminum sem annað stig í föstu lausnina með háhita, og síðan hraða kælingu til að hindra útfellingu annars stigsins, og þannig fá ofmettaða ál-byggða α fasta lausn, sem er vel undirbúin fyrir næstu öldrunarmeðferð.
Forsenda þess að fá ofmettaða α fasta lausn er að leysni annars fasans í málmblöndunni í áli ætti að aukast verulega með hækkandi hitastigi, annars næst ekki tilgangur meðhöndlunar í fastri lausn. Flest málmblönduefni í áli geta myndað eutektískt fasarit með þessum eiginleikum. Sem dæmi um Al-Cu málmblöndu er eutektískt hitastig 548℃ og leysni kopars í áli við stofuhita er minni en 0,1%. Þegar það er hitað í 548℃ eykst leysni þess í 5,6%. Þess vegna fara Al-Cu málmblöndur sem innihalda minna en 5,6% kopar inn í α einfasa svæðið eftir að hitunarhitastigið fer yfir lausnarlínuna, það er að segja, annar fasinn CuAl2 er alveg uppleystur í grunnefninu og ein ofmettuð α fast lausn getur myndast eftir kælingu.
Slökkvun er mikilvægasta og krefjandi hitameðferðin fyrir ál málmblöndur. Lykilatriðið er að velja viðeigandi slökkvunarhitastig og tryggja nægjanlegan kælihraða, og að stjórna ofnhitastiginu strangt til að draga úr slökkvunaraflögun.
Meginreglan við val á slokkunarhita er að auka slokkunarhitastigið eins mikið og mögulegt er, en tryggja að álfelgan ofbrenni ekki eða kornin vaxi óhóflega, til að auka ofmettun α-föstu lausnarinnar og styrk eftir öldrunarmeðferð. Almennt krefst álfelguhitunarofn þess að nákvæmni hitastýringar ofnsins sé innan ±3°C og loftið í ofninum er þvingað til að dreifa til að tryggja einsleitni ofnhitans.
Ofbruni álfelgur orsakast af því að hluta til bráðna lágbræðslumarksþættir inni í málminum, svo sem tvíþátta eða fjölþátta evtektísk efni. Ofbruni veldur ekki aðeins minnkun á vélrænum eiginleikum heldur hefur einnig alvarleg áhrif á tæringarþol álfelgunnar. Þess vegna, þegar álfelgur hefur verið ofbruninn, er ekki hægt að fjarlægja hann og ætti að farga álfelgunni. Raunverulegur ofbrununarhitastig álfelgurs er aðallega ákvarðaður af samsetningu álfelgunnar og óhreinindainnihaldi og tengist einnig vinnsluástandi álfelgunnar. Ofbrununarhitastig afurða sem hafa gengist undir plastaflögunarvinnslu er hærra en steypu. Því meiri aflögunarvinnslan er, því auðveldara er fyrir lágbræðslumarksþætti sem eru ekki í jafnvægi að leysast upp í grunnefninu þegar þeir eru hitaðir, þannig að raunverulegur ofbrununarhitastig eykst.
Kælingarhraðinn við slökkvun áls hefur veruleg áhrif á öldrunarstyrkleika og tæringarþol málmblöndunnar. Við slökkvun LY12 og LC4 er nauðsynlegt að tryggja að α-föst lausn brotni ekki niður, sérstaklega á hitastigsnæmu svæðinu 290~420℃, og nægilega mikill kælingarhraði er nauðsynlegur. Venjulega er kveðið á um að kælingarhraðinn ætti að vera yfir 50℃/s, og fyrir LC4 málmblöndu ætti hann að ná eða fara yfir 170℃/s.
Algengasta kæliefnið fyrir álblöndur er vatn. Framleiðsluvenjur sýna að því meiri kælingarhraðinn sem er við kælingu, því meiri er eftirstandandi spenna og eftirstandandi aflögun á kælda efninu eða vinnustykkinu. Þess vegna, fyrir lítil vinnustykki með einföldum lögun, getur vatnshitinn verið örlítið lægri, almennt 10~30℃, og ætti ekki að fara yfir 40℃. Fyrir vinnustykki með flókin form og mikinn mismun á veggþykkt, til að draga úr kælingaraflögun og sprungum, er stundum hægt að hækka vatnshitann í 80℃. Hins vegar verður að benda á að þegar vatnshitinn í kælitankinum hækkar, minnkar styrkur og tæringarþol efnisins einnig í samræmi við það.
3. Öldrun
3.1 Skipulagsbreytingar og breytingar á frammistöðu við öldrun
Ofurmettuð α fast lausn sem fæst með kælingu hefur óstöðuga uppbyggingu. Þegar hún er hituð brotnar hún niður og umbreytist í jafnvægisbyggingu. Ef við tökum Al-4Cu málmblöndu sem dæmi, ætti jafnvægisbygging hennar að vera α+CuAl2 (θ fasi). Þegar einfasa ofurmettuð α fast lausn er hituð til öldrunar eftir kælingu, ef hitastigið er nógu hátt, mun θ fasinn falla beint út. Annars mun það gerast í áföngum, það er að segja, eftir nokkur millistig er hægt að ná lokajafnvægisfasanum CuAl2. Myndin hér að neðan sýnir kristalbyggingareiginleika hvers úrfellingarstigs við öldrunarferli Al-Cu málmblöndunnar. Mynd a. sýnir kristalgrindarbyggingu í kældu ástandi. Á þessum tímapunkti er þetta einfasa α ofurmettuð fast lausn og koparatómar (svartir punktar) eru jafnt og af handahófi dreift í álgrindinni (hvítir punktar). Mynd b. sýnir grindarbyggingu á fyrstu stigum úrfellingar. Koparatómar byrja að safnast saman á ákveðnum svæðum í grindinni til að mynda Guinier-Preston svæði, kallað GP svæði. GP-svæðið er afar lítið og disklaga, með þvermál um 5~10 μm og þykkt 0,4~0,6 nm. Fjöldi GP-svæða í fylkinu er afar mikill og dreifingarþéttleikinn getur náð 10¹⁷~10¹⁸cm-³. Kristalbygging GP-svæðisins er enn sú sama og fylkið, bæði eru með miðju á yfirborðinu og það viðheldur samfelldu tengifleti við fylkið. Hins vegar, þar sem stærð koparatóma er minni en álatóma, mun auðgun koparatóma valda því að kristalgrindin nálægt svæðinu minnkar, sem veldur grindarröskun.
Skýringarmynd af breytingum á kristalbyggingu Al-Cu málmblöndu við öldrun
Mynd a. Slökkt ástand, einfasa α fast lausn, koparatómar (svartir punktar) eru jafnt dreifðir;
Mynd b. Á fyrstu stigum öldrunar myndast GP-svæðið;
Mynd c. Á síðari stigum öldrunar myndast hálf-samfellt umbreytingarfasa;
Mynd d. Öldrun við háan hita, útfelling ósamhverfs jafnvægisfasa
GP-svæðið er fyrsta forúrfellingarefnið sem myndast við öldrunarferli áls. Lenging öldrunartímans, sérstaklega aukin öldrunarhitastig, mun einnig mynda önnur millistig umbreytingarfasa. Í Al-4Cu málmblöndunni eru θ” og θ' fasar eftir GP-svæðið, og að lokum næst jafnvægisfasinn CuAl2. θ” og θ' eru bæði umbreytingarfasar θ-fasans, og kristalbyggingin er ferkantað grindargrind, en grindarstuðullinn er annar. Stærð θ er stærri en GP-svæðisins, enn disklaga, með þvermál um 15~40nm og þykkt 0,8~2,0nm. Það heldur áfram að viðhalda samfelldu tengifleti við fylkið, en grindarbjögunin er meiri. Þegar skipt er úr θ” í θ' fasa hefur stærðin aukist í 20~600 nm, þykktin er 10~15 nm og samhangandi tengiflöturinn eyðileggst einnig að hluta og verður að hálf-samhangandi tengiflöt, eins og sést á mynd c. Lokaafurð öldrunarúrkomunnar er jafnvægisfasinn θ (CuAl2), þar sem samhangandi tengiflöturinn eyðileggst alveg og verður að ósamhangandi tengiflöt, eins og sést á mynd d.
Samkvæmt ofangreindum aðstæðum er öldrunarúrfellingarröð Al-Cu málmblöndunnar αs→α+GP svæði→α+θ”→α+θ'→α+θ. Öldrunarbyggingarstigið fer eftir samsetningu málmblöndunnar og öldrunarforskriftum. Oft eru fleiri en ein öldrunarafurð í sama ástandi. Því hærra sem öldrunarhitastigið er, því nær er jafnvægisbyggingin.
Við öldrunarferlið eru GP-svæðið og umbreytingarfasinn sem falla út úr grunnefninu lítil að stærð, mjög dreifð og ekki auðveldlega aflöguð. Á sama tíma valda þau grindarröskun í grunnefninu og mynda spennusvið sem hefur veruleg hindrunaráhrif á hreyfingu tilfærslu, sem eykur viðnám málmblöndunnar gegn plastaflögun og bætir styrk og hörku hennar. Þetta öldrunarherðingarfyrirbæri kallast úrkomuherðing. Myndin hér að neðan sýnir breytingu á hörku Al-4Cu málmblöndunnar við slökkvun og öldrunarmeðferð í formi ferils. Stig I á myndinni sýnir hörku málmblöndunnar í upprunalegu ástandi. Vegna mismunandi heitvinnsluferla mun hörku upprunalegs ástands breytast, almennt HV = 30 ~ 80. Eftir upphitun við 500 ℃ og slökkvun (stig II) eru öll koparatóm leyst upp í grunnefninu til að mynda einfasa yfirmettaða α fasta lausn með HV = 60, sem er tvöfalt hörðari en hörkan í glóðuðu ástandi (HV = 30). Þetta er afleiðing af styrkingu fastrar lausnar. Eftir kælingu er það sett við stofuhita og hörku málmblöndunnar eykst stöðugt vegna stöðugrar myndunar GP-svæða (stig III). Þetta öldrunar- og herðingarferli við stofuhita kallast náttúruleg öldrun.
Ég—upprunalegt ástand;
II—fast lausnarástand;
III—náttúruleg öldrun (GP-svæði);
IVa—aðhvarfsmeðferð við 150~200℃ (uppleyst aftur í GP-svæðinu);
IVb—gerviöldrun (θ”+θ' fasi);
V—oföldun (θ”+θ' fasi)
Í stigi IV er málmblandan hituð upp í 150°C til öldrunar og herðingaráhrifin eru augljósari en við náttúrulega öldrun. Á þessum tíma er úrfellingarafurðin aðallega θ”-fasinn, sem hefur mest styrkingaráhrif í Al-Cu málmblöndum. Ef öldrunarhitinn er hækkaður enn frekar breytist úrfellingarfasinn úr θ”-fasanum í θ'-fasann, herðingaráhrifin veikjast og hörkustigið minnkar og fer inn í stig V. Öll öldrunarmeðferð sem krefst gervihitunar kallast gerviöldrun og stig IV og V tilheyra þessum flokki. Ef hörkustigið nær hámarkshörkugildinu sem málmblandan getur náð eftir öldrun (þ.e. stig IVb) kallast þessi öldrun hámarksöldrun. Ef hámarkshörkugildið næst ekki kallast það vanöldrun eða ófullkomin gerviöldrun. Ef hámarksgildið fer yfir og hörkustigið minnkar kallast það oföldrun. Stöðugleikaöldrunarmeðferð tilheyrir einnig oföldrun. GP-svæðið sem myndast við náttúrulega öldrun er mjög óstöðugt. Þegar GP-svæðið er hitað hratt upp í hærra hitastig, svo sem um 200°C, og haldið heitu í stuttan tíma, leysist það upp aftur í α-föstu lausnina. Ef það er kælt hratt (kælt) áður en önnur umskiptastig eins og θ” eða θ’ falla út, er hægt að endurheimta upprunalegt kælt ástand málmblöndunnar. Þetta fyrirbæri kallast „afturhvarf“, sem er hörkufallið sem gefið er til kynna með punktalínunni í stigi IVa á myndinni. Álblöndunni sem hefur verið afturhvarf hefur enn sömu öldrunarherðingargetu.
Aldursherðing er grundvöllur þróunar hitameðhöndlunarhæfra álblöndu og öldrunarherðingargeta þeirra er í beinu samhengi við samsetningu álblöndunnar og hitameðhöndlunarkerfisins. Tvíburamálmblöndur Al-Si og Al-Mn hafa engin úrfellingarherðingaráhrif þar sem jafnvægisfasinn fellur beint út við öldrunarferlið og eru ekki hitameðhöndlunarhæfar álblöndur. Þó að Al-Mg málmblöndur geti myndað GP svæði og umskiptafasa β', hafa þær aðeins ákveðna úrfellingarherðingargetu í málmblöndum með háu magnesíuminnihaldi. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si og Al-Zn-Mg-Cu málmblöndur hafa sterka úrfellingarherðingargetu í GP svæðum sínum og umskiptafasa og eru nú helstu málmblöndukerfin sem hægt er að hitameðhöndla og styrkja.
3.2 Náttúruleg öldrun
Almennt hafa álmálmblöndur sem hægt er að styrkja með hitameðferð náttúruleg öldrunaráhrif eftir kælingu. Náttúruleg öldrunarstyrking er af völdum GP-svæðisins. Náttúruleg öldrun er mikið notuð í Al-Cu og Al-Cu-Mg málmblöndum. Náttúruleg öldrun Al-Zn-Mg-Cu málmblöndur tekur of langan tíma og það tekur oft nokkra mánuði að ná stöðugleika, þannig að náttúrulega öldrunarkerfið er ekki notað.
Í samanburði við gerviöldrun er sveigjanleiki málmblöndunnar lægri eftir náttúrulega öldrun, en sveigjanleiki og seigja eru betri og tæringarþol hærra. Aðstæður ofurharðs áls úr Al-Zn-Mg-Cu kerfinu eru aðeins öðruvísi. Tæringarþol eftir gerviöldrun er oft betra en eftir náttúrulega öldrun.
3.3 Gerviöldrun
Eftir gerviöldrunarmeðferð getur ál málmblöndur oft náð hæsta sveigjanleika (aðallega styrkingu í umskiptafasa) og betri stöðugleika. Ofurhart ál, smíðað ál og steypt ál eru aðallega gerviöldruð. Öldrunarhitastig og öldrunartími hafa mikilvæg áhrif á eiginleika málmblöndunnar. Öldrunarhitastig er að mestu leyti á bilinu 120~190℃ og öldrunartíminn er ekki lengri en 24 klst.
Auk eins stigs gerviöldrunar geta álmálmblöndur einnig notað stigvaxandi gerviöldrunarkerfi. Það er að segja, hitun er framkvæmd tvisvar eða oftar við mismunandi hitastig. Til dæmis er hægt að elda LC4 málmblöndu við 115~125℃ í 2~4 klst. og síðan við 160~170℃ í 3~5 klst. Smám saman öldrun getur ekki aðeins stytt tímann verulega, heldur einnig bætt örbyggingu Al-Zn-Mg og Al-Zn-Mg-Cu málmblöndunnar og bætt verulega spennutæringarþol, þreytuþol og brotþol án þess að draga verulega úr vélrænum eiginleikum.
Birtingartími: 6. mars 2025
